摘要： 基于13 L國六重型柴油機(jī)，通過臺(tái)架試驗(yàn)探究了機(jī)油泵、水泵以及空壓機(jī)三種附件的優(yōu)化對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)特性和排放特性的影響，并得出各附件的貢獻(xiàn)度占比，為后續(xù)優(yōu)化提供方向。結(jié)果表明：在原機(jī)的基礎(chǔ)上，通過更換小流量機(jī)油泵、小流量水泵以及采用空壓機(jī)節(jié)能模式或者拆除空壓機(jī)，無論是在外特性工況點(diǎn)還是在最佳熱效率工況點(diǎn)，燃油消耗率均有不同程度的降低，熱效率得以提升。對(duì)于附件優(yōu)化前后的排放，在外特性工況點(diǎn)和最佳熱效率工況點(diǎn)，機(jī)油泵的優(yōu)化使排溫升高、NO_x增加、Soot降低，而水泵和空壓機(jī)的優(yōu)化使排溫降低、NO_x降低、Soot升高。最佳熱效率工況點(diǎn)下，三個(gè)優(yōu)化附件中，水泵的優(yōu)化對(duì)熱效率提升貢獻(xiàn)度最大，占比高達(dá)43.56%，而機(jī)油泵和空壓機(jī)的優(yōu)化貢獻(xiàn)度相近，約為28%。

關(guān)鍵詞： 重型柴油機(jī)；附件；優(yōu)化；燃油經(jīng)濟(jì)性；排放特性

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.06.005

中圖分類號(hào)： TK413" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B" 文章編號(hào)： 1001-２２２２（２０24）０6-００032-０6

近年來，汽車保有量不斷升高，且日益嚴(yán)格的排放法規(guī)及國家“碳達(dá)峰”“碳中和”的政策對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能和排放性能的要求進(jìn)一步提高，而車用柴油機(jī)的碳排放又是交通行業(yè)中碳排放的主要來源，因此對(duì)柴油機(jī)碳排放的優(yōu)化控制至關(guān)重要［1-2］。

與此同時(shí)，商用車油耗的高低對(duì)用戶來說至關(guān)重要，且低油耗發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的碳排放也相應(yīng)較低，因此改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、提升熱效率也是各發(fā)動(dòng)機(jī)廠商研發(fā)任務(wù)的重中之重。濰柴動(dòng)力發(fā)布了全球首款本體熱效率51.09%的柴油機(jī)，進(jìn)一步提升了柴油機(jī)的最高熱效率［3］；劉明超等［4］將仿真與試驗(yàn)相結(jié)合，合理匹配增壓器進(jìn)而提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率；李軍成等［5］通過優(yōu)化燃燒室及壓縮比，進(jìn)一步提升了柴油機(jī)的熱效率。

由此可見，越來越多的科研院所、企業(yè)加大了對(duì)柴油機(jī)熱效率提升的研究力度以降低碳排放和油耗。而發(fā)動(dòng)機(jī)的附件功耗對(duì)油耗損失的占比也不容小覷。其中，S. J. JEONG等［6］采用離合式水泵，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗和CO2的排放；S. M. A. RAHMAN等［7］分析了空壓機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響，進(jìn)一步優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性；吳磊等［8］在整車上通過在智能電機(jī)、高效空調(diào)及電動(dòng)轉(zhuǎn)向等方面的優(yōu)化，NEDC工況可節(jié)油7.47%；S. S. HOU等［9］以燃料能量百分比表征附件熱損失、摩擦損失和可變比熱，研究其對(duì)柴油循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，為實(shí)際循環(huán)的節(jié)油分析提供指導(dǎo)。

此外，目前關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)附件的研究大多集中在其耐久度及NVH性能等方面［10-11］，對(duì)于多個(gè)附件優(yōu)化所帶來的燃油經(jīng)濟(jì)性改善及節(jié)能貢獻(xiàn)度相關(guān)的研究較少。為此，本研究通過臺(tái)架試驗(yàn)探究了機(jī)油泵、水泵以及空壓機(jī)等三種附件功耗的優(yōu)化對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)特性和排放特性的影響，并得出各附件的貢獻(xiàn)度占比，為后續(xù)進(jìn)一步的附件優(yōu)化提供開發(fā)方向。

1 試驗(yàn)臺(tái)架及研究方案

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架及設(shè)備

以一臺(tái)13 L六缸四沖程高效增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意圖如圖1所示。

試驗(yàn)過程中，采用AVL INDY S66-4電力測(cè)功機(jī)控制并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度控制在（90±1） ℃，進(jìn)氣流量由SENSYCON Sensy空氣流量計(jì)測(cè)得，單位時(shí)間柴油消耗量由AVL 7351 CST油耗儀測(cè)得，NO_x排放由HORIBA MEXA-7200D測(cè)得，Soot排放由AVL 483煙度計(jì)測(cè)得，采用博世公司ECU通過INCA標(biāo)定軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油參數(shù)的靈活調(diào)控。

1.2 試驗(yàn)方案

本研究通過優(yōu)化機(jī)油泵、水泵以及空壓機(jī)三個(gè)附件，與原機(jī)進(jìn)行單一變量的優(yōu)化對(duì)比試驗(yàn)，相應(yīng)附件的優(yōu)化內(nèi)容如表2所示。其中，所采用的大小流量機(jī)油泵的傳動(dòng)比相同，在額定點(diǎn)其流量相差20 L/min；大小流量水泵指的是水泵額定點(diǎn)的功耗不同，原機(jī)的大流量水泵在額定點(diǎn)的流量、揚(yáng)程、軸功率均大于小流量水泵，其中流量相差51 L/min，泵效率相差6.2%；原機(jī)的空壓機(jī)為空載模式，優(yōu)化采用兩種模式進(jìn)行試驗(yàn)，其中拆除時(shí)如圖2所示，而節(jié)能模式是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)而降低排氣背壓實(shí)現(xiàn)節(jié)能。優(yōu)化后的附件在前期已通過試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作所需的機(jī)油壓力以及熱平衡等狀態(tài)，可維持車輛的正常工作。同時(shí)，因優(yōu)化的附件尚未量產(chǎn)且涉密，具體參數(shù)不再公布。

試驗(yàn)過程中，更換單一附件分別進(jìn)行外特性試驗(yàn)和萬有特性試驗(yàn)，并記錄相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，燃油噴射時(shí)刻、軌壓等參數(shù)均采用同一標(biāo)定map，燃油選用國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)柴油。在后續(xù)分析過程中，本研究僅選取具有代表性的外特性工況點(diǎn)和該發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳熱效率工況點(diǎn)（brake thermal efficiency，簡稱BTE點(diǎn)），BTE工況點(diǎn)的油耗越低，意味著該發(fā)動(dòng)機(jī)的最大熱效率越高，對(duì)進(jìn)一步的節(jié)能減排起到至關(guān)重要的作用。

為更好地比較各附件優(yōu)化后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的提升程度，提出優(yōu)化油耗貢獻(xiàn)度這一概念，具體公式如下：

貢獻(xiàn)度=單一附件優(yōu)化油耗（優(yōu)化前-優(yōu)化后）三個(gè)附件油耗優(yōu)化之和。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 附件對(duì)外特性工況點(diǎn)油耗及排放的影響

2.1.1 機(jī)油泵的影響

圖3示出機(jī)油泵對(duì)外特性工況點(diǎn)相對(duì)燃油消耗率及相對(duì)排溫的影響。如圖所示，相對(duì)燃油消耗率均為負(fù)值，小流量機(jī)油泵油耗在任一轉(zhuǎn)速下的外特性點(diǎn)均低于大流量機(jī)油泵油耗，說明小流量機(jī)油泵經(jīng)濟(jì)性更佳。隨著轉(zhuǎn)速的增加，相對(duì)燃油消耗率先升高后降低，在1 200 r/min時(shí)差值的絕對(duì)值最低；而相對(duì)排溫隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，在2 000 r/min達(dá)到峰值。其中，在1 800 r/min下額定點(diǎn)油耗降低0.62 g/（kW·h），轉(zhuǎn)速1 100 r/min下油耗降低0.38 g/（kW·h），降幅最大的為2 000 r/min時(shí)降低0.78 g/（kW·h）。對(duì)于排溫，在800～1 100 r/min時(shí)排溫相近，差值在0附近波動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)速的提升，兩機(jī)油泵排溫差隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。

造成上述油耗降低的主要原因如圖4所示。摩擦扭矩差值均為正值，而發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦扭矩通常用負(fù)值表示，這說明當(dāng)使用小流量機(jī)油泵時(shí)，在任一轉(zhuǎn)速下，小流量機(jī)油泵發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖所產(chǎn)生的摩擦扭矩均低于使用大流量機(jī)油泵時(shí)的摩擦扭矩，且轉(zhuǎn)速越大，摩擦扭矩的差值則越大。同樣地，小流量機(jī)油泵對(duì)應(yīng)的摩擦功率也低于大流量機(jī)油泵，在低轉(zhuǎn)速時(shí)相差不大，隨轉(zhuǎn)速增加，二者差距增大。轉(zhuǎn)速1 100 r/min下，小流量機(jī)油泵摩擦功率共降低0.41 kW，摩擦扭矩降低3.6 N·m；在1 800 r/min額定點(diǎn)，小流量機(jī)油泵摩擦功率共降低0.94 kW，摩擦扭矩降低5 N·m。由此可見，采用小流量機(jī)油泵降低了機(jī)械功，從而減少了所需求的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，進(jìn)而降低了油耗。

圖5示出不同機(jī)油泵的相對(duì)比排放。由圖5可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，NO_x相對(duì)比排放為正值，先降低后升高，在1 200 r/min時(shí)差值最低，而Soot相對(duì)比排放為負(fù)值，先略有升高后大幅降低。這說明當(dāng)采用小流量機(jī)油泵時(shí)，相比于大流量機(jī)油泵的排放，Soot排放有所降低，但NO_x排放有所增加，特別是在中高轉(zhuǎn)速時(shí)，二者差距拉大。這主要是因?yàn)楫?dāng)采用小流量機(jī)油泵時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫相對(duì)更高（見圖3），后期高溫對(duì)Soot的氧化能力提升，導(dǎo)致Soot降低；同時(shí)由較高的排溫可推測(cè)采用小流量機(jī)油泵時(shí)其燃燒溫度可能也較高，因此使得NO_x生成升高。

2.1.2 水泵的影響

圖6所示為水泵對(duì)外特性工況點(diǎn)相對(duì)燃油消耗率及相對(duì)排溫的影響。如圖所示，燃油消耗率差值為負(fù)值，隨著轉(zhuǎn)速的增加，相對(duì)燃油消耗率先增加后降低，其差值的絕對(duì)值在1 000 r/min達(dá)到最低；而相對(duì)排溫差值也為負(fù)值，呈現(xiàn)出先降低再升高的趨勢(shì)。因此，對(duì)于兩種不同流量的水泵，在油耗方面，小流量水泵油耗在任一轉(zhuǎn)速下的外特性點(diǎn)均低于大流量水泵的油耗，在排溫方面，小流量水泵在任一轉(zhuǎn)速下均低于大流量水泵的排溫，特別是中低轉(zhuǎn)速下格外明顯。

造成上述油耗降低的主要原因如圖7所示，當(dāng)使用小流量水泵時(shí)，在任一轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖所產(chǎn)生的摩擦扭矩均低于使用大流量水泵時(shí)的摩擦扭矩，且在中高轉(zhuǎn)速下其差值顯著。同樣地，小流量水泵對(duì)應(yīng)的摩擦功率也低于大流量水泵，但在低轉(zhuǎn)速時(shí)相差不大，隨轉(zhuǎn)速增加，二者差距增大。轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，小流量水泵摩擦功率共降低0.19 kW，摩擦扭矩降低1.7 N·m；在1 800 r/min額定點(diǎn)，小流量水泵摩擦功率共降低0.67 kW，摩擦扭矩降低3.6 N·m。由此可見，采用小流量水泵降低了機(jī)械功，從而降低了燃油消耗率。

圖8所示為不同水泵的相對(duì)比排放。由正負(fù)關(guān)系可知，NO_x與Soot排放存在trade-off的關(guān)系，轉(zhuǎn)速增加，NO_x與Soot排放差值總體呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)采用小流量水泵時(shí)，相比于大流量水泵的排放，NO_x排放有所降低，但Soot排放有所增加。同樣是因?yàn)楫?dāng)采用小流量機(jī)油泵時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫（見圖6）及缸內(nèi)平均燃燒溫度相對(duì)更低，導(dǎo)致后期對(duì)Soot的氧化能力減弱，Soot排放增加，而相對(duì)較低燃燒溫度使得NO_x的生成降低。

2.1.3 空壓機(jī)的影響

將空壓機(jī)拆除和節(jié)能模式下的特性與空壓機(jī)空載時(shí)的特性進(jìn)行對(duì)比，圖9所示為空壓機(jī)對(duì)外特性工況點(diǎn)相對(duì)燃油消耗率及相對(duì)排溫的影響。由圖可知，在油耗方面，兩種模式下與空載時(shí)的油耗差值均為負(fù)值，同時(shí)可以看出，空壓機(jī)拆除時(shí)在任一轉(zhuǎn)速下的外特性油耗均為最低油耗，其次為空壓機(jī)節(jié)能模式。其中，在1 800 r/min額定點(diǎn)空壓機(jī)拆除時(shí)的油耗比空載時(shí)降低1.12 g/（kW·h），而節(jié)能模式下僅比空載時(shí)降低0.088 g/（kW·h），轉(zhuǎn)速1 100 r/min下空壓機(jī)拆除時(shí)的油耗比空載時(shí)降低0.77 g/（kW·h），而節(jié)能模式下僅比空載時(shí)降低0.23 g/（kW·h）。對(duì)于相對(duì)排溫，空壓機(jī)拆除時(shí)的排溫在各轉(zhuǎn)速下均最低，特別是中低轉(zhuǎn)速下格外明顯，而空壓機(jī)空載與節(jié)能模式下的排溫相差不大，其差值在0附近波動(dòng)。

造成上述油耗降低的主要原因如圖10所示，當(dāng)空壓機(jī)拆除時(shí)，在任一轉(zhuǎn)速下，倒拖所產(chǎn)生的摩擦扭矩均低于空壓機(jī)空載及節(jié)能模式時(shí)的摩擦扭矩，且在中高轉(zhuǎn)速下其差值顯著。同樣地，空壓機(jī)拆除時(shí)對(duì)應(yīng)的摩擦功率也最小，但在低轉(zhuǎn)速時(shí)相差不大，隨轉(zhuǎn)速增加，二者差距增大。在轉(zhuǎn)速1 100 r/min下，空壓機(jī)拆除時(shí)的摩擦功率比空載時(shí)降低0.87 kW，而節(jié)能模式下比空載時(shí)降低0.43 kW；在1 800 r/min額定點(diǎn)，空壓機(jī)拆除時(shí)的摩擦功率比空載時(shí)降低1.91 kW，而節(jié)能模式下比空載時(shí)降低1.01 kW。由此可見，空壓機(jī)的優(yōu)化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的降低具有一定作用。

圖11所示為不同空壓機(jī)模式的相對(duì)比排放。相比于空壓機(jī)空載及拆除兩種狀態(tài)，當(dāng)采用空壓機(jī)節(jié)能模式時(shí)，其NO_x排放最低（比排放差值為負(fù)），Soot排放略高（比排放差值為正）。通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)排溫（見圖9）及缸內(nèi)平均燃燒溫度可知，當(dāng)空壓機(jī)采用節(jié)能模式時(shí)，其燃燒溫度及排溫較低，后期對(duì)Soot的氧化能力降低，Soot排放增加，而與Soot形成相互制約關(guān)系的NO_x生成降低。

2.2 附件對(duì)BTE工況點(diǎn)油耗及排放的影響

圖12所示為各附件在優(yōu)化前后的油耗差值以及對(duì)油耗降低的貢獻(xiàn)度。由圖可知，小流量水泵在三個(gè)附件中對(duì)降低油耗的貢獻(xiàn)度最大，水泵優(yōu)化前后在BTE點(diǎn)的燃油消耗率差值為0.617 g/（kW·h），貢獻(xiàn)度高達(dá)43.56%；而機(jī)油泵和空壓機(jī)對(duì)油耗優(yōu)化的貢獻(xiàn)度相近，空壓機(jī)優(yōu)化后燃油消耗率降低了0.41 g/（kW·h），貢獻(xiàn)度為28.92%，而機(jī)油泵優(yōu)化后燃油消耗率降低了0.39 g/（kW·h），貢獻(xiàn)度為27.52%。此外，根據(jù)圖12所示菱形點(diǎn)可知，當(dāng)空壓機(jī)拆除時(shí)重新計(jì)算的貢獻(xiàn)度也僅為38.1%，低于水泵優(yōu)化帶來的收益。

由此可以得出，為更好地提升該柴油機(jī)BTE工況點(diǎn)的熱效率，在附件優(yōu)化方面，水泵的優(yōu)化對(duì)經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn)度更高，機(jī)油泵和空壓機(jī)的優(yōu)化帶來的經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較低，特別是空壓機(jī)的優(yōu)化存在一定限制，后續(xù)可在滿足柴油機(jī)機(jī)油壓力和熱平衡的狀態(tài)下，繼續(xù)對(duì)水泵和機(jī)油泵進(jìn)行優(yōu)化。

圖13示出附件優(yōu)化對(duì)BTE點(diǎn)排放的影響。由于NO_x與Soot排放生成機(jī)理的相互制約關(guān)系，無論哪個(gè)附件優(yōu)化，其中一種排放物的增加或降低必然使另一種排放物產(chǎn)生相反的趨勢(shì)。不同的是機(jī)油泵的優(yōu)化使得NO_x增加、Soot降低，而水泵和空壓機(jī)的優(yōu)化使得NO_x降低、Soot升高。且同一附件優(yōu)化下，Soot排放產(chǎn)生的變化量均大于NO_x排放的變化量。這主要是因?yàn)楦郊?yōu)化前后可能會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒溫度、壓力以及當(dāng)量比發(fā)生小幅度的變化，影響了NO_x和Soot生成的條件，同時(shí)由前文可知，排氣溫度也會(huì)出現(xiàn)一定的升高或降低，進(jìn)而影響了后期對(duì)排放物的氧化。

3 結(jié)論

通過在國六重型柴油機(jī)上進(jìn)行三種附件的試驗(yàn)研究，探究了附件的優(yōu)化對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性能及排放性能的影響，得出結(jié)論如下：

a） 在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的條件下，在原機(jī)的基礎(chǔ)上，通過更換小流量機(jī)油泵、小流量水泵以及采用空壓機(jī)節(jié)能模式或是拆除空壓機(jī)，無論是在外特性工況點(diǎn)還是在最佳熱效率工況點(diǎn)，燃油消耗率均有不同程度的降低；

b） 在最佳熱效率工況點(diǎn)，三個(gè)優(yōu)化附件中，水泵的優(yōu)化對(duì)熱效率提升貢獻(xiàn)度最大，占比高達(dá)43.56%，而機(jī)油泵和空壓機(jī)的優(yōu)化貢獻(xiàn)度相近，約為28%；

c） 對(duì)于附件優(yōu)化前后的排放，無論是外特性工況點(diǎn)還是最佳熱效率工況點(diǎn)，機(jī)油泵的優(yōu)化使得排溫升高、NO_x增加、Soot降低，而水泵和空壓機(jī)的優(yōu)化使得排溫降低、NO_x降低、Soot升高。

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Influence of Accessory Optimization on Fuel Economy And Emission Characteristics of China Ⅵ Heavy-Duty Diesel Engine

FENG Shuang，AN Yuguang，LI Hao，WANG Jiao，ZHANG Liangliang

（Automotive Research Institute of China Heavy Duty Automobile Group Co.，Ltd.，Jinan 250000，China）

Abstract： Based on a 13 L China Ⅵ heavy-duty diesel engine， the influence of optimizing the accessories such as oil pump， water pump and air compressor on the fuel economy and emission characteristics of diesel engine was explored and analyzed through bench tests， and the contribution ratio of each accessory was acquired， which provided the direction for the subsequent optimization. The results show that replacing the low-flow oil pump， low-flow water pump and adopting the energy-saving mode of air compressor or removing the air compressor on the original engine can reduce the specific fuel consumption to different degrees and improve the thermal efficiency both at the external characteristic working point and the optimal thermal efficiency working point. Under the two mentioned conditions， the optimization of oil pump resulted in an increase in exhaust temperature and NO_x emission and a decrease in soot emission， while the optimization of water pump and air compressor led to a decrease in exhaust temperature and NO_x emission and an increase in soot emission. At the optimal thermal efficiency working point， among the three optimization accessories， the optimization of water pump had the largest contribution to the improvement of thermal efficiency as much as 43.56%， while the optimization contributions of oil pump and air compressor were both about 28%.

Key" words： heavy-duty diesel engine；accessory；optimization；fuel economy；emission characteristics

［編輯： 潘麗麗］

作者簡介： 馮爽（1991—），男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)工作過程優(yōu)化與控制；fengshuang@sinotruk.com。